응용 공정별 맞춤형 플라즈마 건식 식각에 관한 연구

Abstract

플라즈마를 이용한 건식 식각 기술은 나노급 반도체 소자의 미세 가공을 가능하게 하는 가장 중요한 기술 중 하나이다. 나노급 디바이스는 생산 단가 절감을 위한 고 집적 소자의 구현을 위해 필요하게 되었고, 아울러, device 성능 향상을 위해서 새로운 구조의 device 및 신물질의 도입이 이루어지고 있다. 이에 따라 건식 식각 기술에 있어서 나노급 식각 기술 및 신물질 식각에 대한 연구가 필요하다. 또한, 건식 식각 기술은 반도체 디바이스 제조뿐 아니라, 디스플레이 분야에도 필요하게 되었다. 휴대용 디스플레이 산업이 발달함에 따라 소형 디스플레이 장치에 대한 수요가 증가하게 되었고, 이에 따라 미세 패턴 가공에 유용한 건식 식각 기술이 디스플레이 분야에도 필요하게 된 것이다. 이와 같이 다양한 응용 분야에서 건식 식각 기술이 필요하게 되었는데, 각 응용 공정 별 중요한 식각 요건은 상이하다. 본 논문에서는 나노급 실리콘 트렌치 패턴 식각, EUV lithography 도입에 따른 EUV mask 식각, 그리고 투명 산화물 반도체 IGZO 박막의 식각 등 세가지 주제에 대해 각각 필요한 건식 식각 특성에 관해 연구하였다.

STI (Shallow Trench Isolation) 패턴은 반도체 소자의 active 영역을 정의하는 패턴으로 소자 형성의 기반이 되는 패턴이다. 반도체 소자의 집적도가 계속 증가함에 따라, STI 패턴의 선폭도 수십 나노의 크기로 감소되었으며, 이에 따라 aspect ratio도 매우 증가하는 추세이다. Aspect ratio의 증가는 건식 식각 기술에 있어서, 여러 가지 어려운 문제를 부각시키는데, 그 중 하나가 ARDE (Aspect Ratio Dependent Etching)라 불리는 현상이다. 이는 aspect ratio 증가에 따라 etch rate이 감소하는 현상으로, 다양한 패턴을 동시에 식각해야 하는 반도체 디바이스 특성상, 디바이스 수율에 치명적인 영향을 주는 현상이다. 본 논문에서는 유도 결합 플라즈마 식각 장치 (Inductively Coupled Plasma etcher)를 사용하고, 식각 가스로 HBr과 O2를 사용하여 나노급 트렌치 폭을 가지고 있는 실리콘 트렌치 패턴 식각 시, 식각 파라미터의 변화에 따른 RIE lag 변화에 대해 관찰하였고, 각 파라미터에 따른 RIE lag의 원인에 대해 분석하여 lag 개선 방향을 제시하고자 하였다. 결과, O2 가스 유량, 압력 및 Source Power의 감소에 따라 lag는 개선이 되었고, HBr 가스 유량 및 기판 온도의 증가에 따라 lag가 개선되었다. RIE lag 조절에 가장 중요한 파라미터는 기판 온도였으며, 60 ˚C 에서 lag가 거의 없는 1.4 %의 RIE lag 결과를 얻을 수 있었다. O2 가스 유량 및 기판 온도 조절이 lag에 치명적인 것은 silicon 표면의 산화 현상과 관련이 있었다. 표면 산화가 심화될수록 silicon의 식각률 감소 및 positive ion의 charge up 현상이 커져서 lag가 증가하는 것으로 설명할 수 있었다. 또한, 저압에서의 lag 개선 효과는, 평균 ion energy 및 이온 전류 밀도의 증가에 의한 것으로 이해되었다. 한편, bias power의 경우는, power 증가에 따라 lag가 개선되었으나, 지나치게 큰 power에서는 lag가 오히려 나빠졌다. 이는 과잉 positive ion 공급에 따른 charge up 현상에 의한 ion deflection 현상으로 생각되었다. 따라서, 이러한 high power 조건의 경우, 펄스 플라즈마 적용 시 개선된 lag 결과를 얻을 수 있었다. 펄스 플라즈마의 경우, power off 시간 동안 negative ion의 생성이 가능하여 이에 의한 positive ion의 전하 완화 현상에 의해 RIE lag가 개선된 것으로 이해할 수 있었다. 또한, trench profile 조절 측면에서는, 이온의 에너지가 중요한 인자였다. 즉, high bias power를 사용한 펄스 플라즈마의 경우 매우 개선된 profile 결과를 얻을 수 있었다. 이는 높은 bias power의 경우 높은 에너지를 가진 이온의 공급이 가능하고, 펄스 적용 시 surface charging을 조절함으로써 aspect ratio가 큰 패턴까지 고 에너지 이온 공급이 가능하기 때문이었다.

50 nm 이하의 나노 디바이스 제작을 위해 EUV(Extreme Ultra Violet) Lithography 기술의 도입이 반드시 필요하다. EUV lithography는 기존의 투과형 마스크 및 투과형 광학계를 사용할 수 없고, 반사형 마스크와 광학계가 도입이 되어야 한다. 본 논문에서는 흡수체로 TaN, Buffer layer로 Ru의 구조로 이루어진 EUV mask 제작에 필요한 흡수체 TaN 박막에 대한 건식 식각 특성에 대해 연구하였다. 흡수체인 TaN 식각에서 가장 요구되는 특성은 buffer layer인 Ru에 대한 선택비가 높아야 한다는 점인데, 이는 선택비가 높아야 반사 다층막이 제대로 보호될 수 있기 때문이며, 궁극적으로는 etch에 의한 EUV 반사율 저하를 막기 위해서이다. 따라서, 본 연구에서는 Ru에 대한 고 선택적 식각 및 높은 EUV 반사율에 목표를 두고, CCP type의 식각 장치에서 할로겐 가스의 종류, RF Power, 압력 변화에 따른 TaN의 건식 식각 특성을 연구하였다. SF6및 CF4 가스를 주된 etch 가스로 사용한 식각 조건이 Cl2 plasma 대비 TaN 식각률이 높았으며, Ru은 oxygen이 배제된 plasma의 경우, 식각이 거의 일어나지 않았다. 따라서, 혼합 가스 중 식각률이 높은 SF6/Ar Chemistry를 식각 조건으로 정하여, 식각 파라미터 변화에 의한 식각 특성을 살펴보았다. TaN은 RF power 및 Pressure 증가 및 SF6 가스의 유량비가 증가함에 따라 식각률이 증가하였고 이에 따라 Ru 박막에 대한 선택비도 증가하였고, 결과적으로 TaN 식각률 132 nm/min, 선택비 143 이라는 고 선택적 조건을 얻을 수 있었다. 이 조건을 실제 EUV mask 구조의 시료에 over etch 100 %의 TaN 박막을 식각 하였을 때, Ru buffer layer가 남아있음을 AFM과 XPS 분석을 통해 확인하였고, 이때 표면 거칠기는 2.27 Å 으로 매우 평탄하였다. 또한, EUV beam에 대한 반사도도 저하되지 않음을 확인하였다. 한편, 식각 공정에서 남아있던 Ru buffer layer는 O2 가스를 사용한 에싱 공정에 의해 제거되어, 하부 다층 박막의 mirror가 노출되지만, EUV beam에 대한 반사도 저하에는 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 따라서, 식각 시 buffer layer에 대한 고 선택적 식각 조건이 Mask의 반사도를 높이는데 중요한 것임을 알 수 있었다.

산화물 반도체는 평판 디스플레이 및 차세대 디스플레이인 Flexible Display 와 투명 전자 디바이스의 TFT 물질로 최근 많이 연구중인 물질이다. 본 논문에서는 산화물 반도체중에서 가장 많이 주목 받고 있는 IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) 박막의 건식 식각 특성을 CCP type의 식각 장치에서 할로겐 가스의 종류, RF Power, 압력의 변화에 따라 살펴보았다. 혼합 가스인 BCl3/O2 plasma를 이용하여 상온에서 건식 식각이 가능함을 확인하였고, 250 nm/min의 매우 높은 식각률을 얻을 수 있었다. O2 가스는 IGZO 식각하는 데 있어서, initiate하는 역할을 하므로, 소량만 필요하였고, BCl3 가스의 유량비가 증가할 수록, IGZO의 식각률이 증가함을 알 수 있었다. 이는 O2가 일련의 BCl3의 산화 분해 반응 (oxidative dissociative attachment)을 통해, chlorine etchant가 IGZO와 반응하기 쉽도록 만들어주며, 식각의 부산물로써 BOCl, BO2등의 휘발성 물질의 생성을 쉽게 해주어 연속적인 식각이 일어나도록 해주는 것을 XPS 분석을 통하여 알 수 있었다. 한편, BCl3/O2 Plasma로 식각 후 거칠어진 표면은 식각 부산물에 의한 condensation임을 알 수 있었고, 일부는 DI rinse에 의해 제거되는 수용성의 과염소산염으로 생각되었다. 하지만, DI에서도 제거되지 않은 부산물은 Ar 가스를 첨가한 식각 조건에서 개선할 수 있었다. 이는 Ar 가스의 ion bombardment 특성에 의해 비 휘발성 byproduct의 표면 증착을 방지하였기 때문으로 생각되었다.